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Die Erfindung betrifft eine Partikelabscheidevorrichtung für eine Entgasungsemission aus einer elektrischen Energiespeichervorrichtung eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Energiespeichervorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Partikelabscheidevorrichtung.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, Elektro- und Hybridfahrzeuge mit einem elektrischen Energiespeicher auszustatten, um mittels der dort gespeicherten bzw. speicherbaren elektrischen Energie die Antriebsaggregate der entsprechenden Fahrzeuge anzutreiben. Derartige Energiespeicher umfassen üblicherweise eine Vielzahl elektrisch miteinander verschalteter Batteriezellen (z. B. Lithium-Ionen-Batteriezellen), z. B. in Form von einem oder mehrerer Batteriezellstapel. Ferner ist typischerweise ein Gehäuse-Rahmen vorgesehen, durch den die mehreren Batteriezellen bzw. Batteriezellstapel gehaltert sind.
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Die einzelnen Batterie-Zellen können jeweils eine Entgasungsvorrichtung für eine Notentgasung im thermischen Notfall (auch als thermisches Durchgehen bezeichnet) aufweisen. Derartige Entgasungsvorrichtungen können beispielsweise jeweils ein Entgasungsventil aufweisen, welches bei Erreichen eines vorbestimmten Berstdrucks öffnet, um eine Notentgasung der beschädigten Zelle zu ermöglichen und das Risiko eines Übergreifens auf die benachbarten Zellen zu verhindern. Bei solch einer Ausgasung aus einer Zelle werden typischerweise auch Partikel aus der Zelle vom Gasstrom mitgerissen.
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Damit sich das Gas der Notentgasung und die beim Ausgasen aus einer Zelle austretenden Partikel nicht unkontrolliert im Energiespeicher verteilen, ist es aus der Praxis bekannt, die Entgasungsvorrichtung, z. B. das Entgasungsventil, mit einem Gaskanal, z. B. aus stabilen Schläuchen oder Rohren, zu verbinden, der auf den Zellen zur Aufnahme von Entgasungsemissionen angeordnet ist, sodass das Gas in diesen Kanal strömen und gerichtet aus dem Batteriemodul heraus transportiert werden kann. Dort kann es jedoch unter gewissen Umständen aufgrund der sehr heißen Partikel zur Flammenbildung kommen.
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Um das Risiko einer solchen Flammenbildung zu reduzieren und um zu verhindern, dass sich die beim Ausgasen aus einer Zelle austretenden Partikel unkontrolliert im Batteriesystem ablagern können, ist es aus der Praxis ferner bekannt, in den Gaskanal einen Partikelabscheider zu integrieren, um heiße Partikel aus dem Gasstrom darin abzuscheiden.
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Die bekannten Lösungen haben jedoch den Nachteil, dass diese in das Gehäuse des Energiespeichers integriert werden müssen, was aufgrund des dort nur begrenzt verfügbaren Bauraums konstruktiv aufwendig und nicht kosteneffizient ist. Ferner können bestehende Energiespeicher-Designs nachträglich nicht ohne größere Umkonstruktion mit einer solchen Lösung zur Partikelabscheidung nachgerüstet werden.
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Der Erfindung liegt entsprechend die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte, insbesondere sichere Technik für eine Partikelabscheidung aus einer Entgasungsemission bereitzustellen, die Nachteile herkömmlicher Techniken verhindert oder zumindest reduziert. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Technik zur Partikelabscheidung aus einer Entgasungsemission bereitzustellen, welche das Risiko einer Flammenbildung reduziert und welche möglichst flexibel bei unterschiedlichen Energiespeicher-Konstruktionen anwendbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.
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Ein erster unabhängiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Partikelabscheidevorrichtung für eine Entgasungsemission aus einer elektrischen Energiespeichervorrichtung. Die Energiespeichervorrichtung kann die Energiespeichervorrichtung eines Kraftfahrzeugs, vorzugsweise eines Nutzfahrzeugs sein, und Traktionsenergie für das Kraftfahrzeug speichern und bereitstellen. Die Energiespeichervorrichtung umfasst mindestens eine Zelle zur Speicherung elektrischer Energie (nachfolgend als Batteriezelle bezeichnet). Die mindestens eine Batteriezelle kann mindestens ein Batteriezellstapelmodul sein. Der Energiespeicher kann auch als Batteriepack bezeichnet werden.
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Die Partikelabscheidevorrichtung umfasst einen Hauptkörper, der einen offenen Profilquerschnitt aufweist. Anders ausgedrückt, kann der Hauptkörper als Halbschale und/oder halbschalenförmig ausgeführt sein.
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Die Partikelabscheidevorrichtung umfasst ferner einen Einlassbereich für die Entgasungsemission, der an einer offenen Seite des Hauptkörpers angeordnet ist. Anders ausgedrückt kann der Teilbereich an einer Stelle vorgesehen sein, an der der Profilquerschnitt des Hauptkörpers offen ist. Die Partikelabscheidevorrichtung umfasst ferner einen Auslass, d. h. eine Austrittsöffnung, für die Entgasungsemission. Der Auslass ist bevorzugt durch eine Durchgangsöffnung einer Wandung des Hauptkörpers gebildet. Nachfolgend werden für den Einlassbereich und den Auslass die Ausdrücke erster Einlassbereich und erster Auslass (bzw. erste Austrittsöffnung) verwendet, zur besseren Unterscheidung von einer nachfolgend noch beschriebenen bevorzugten Ausführungsform, gemäß der jeweils ein weiterer Einlassbereich (zweiter Einlassbereich) und ein weiter Auslass (zweiter Auslass) vorgesehen sind.
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Die Partikelabscheidevorrichtung umfasst ferner eine in den Hauptkörper integrierte Partikelfalleneinrichtung zum Abscheiden von Partikeln aus einer Entgasungsemission, wenn die Entgasungsemission die Partikelfalleneinrichtung durchströmt. Hierbei wird ein erster Strömungspfad für die Entgasungsemission vom ersten Einlassbereich durch die Partikelfalleneinrichtung zum ersten Auslass bereitgestellt. Dies bedeutet, dass die Partikelfalleneinrichtung stromab vom ersten Einlassbereich und stromauf zum ersten Auslass angeordnet ist. Die Partikelfalleneinrichtung wird nachfolgend als erste Partikelfalleneinrichtung beschrieben, zur besseren Unterscheidung einer optional möglichen weiteren (zweiten) Partikelfalleneinrichtung.
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Insgesamt kann dadurch auf vorteilhafte Weise eine sichere Ableitung der Entgasungsemission erreicht werden. Durch den offenen Profilquerschnitt des Hauptkörpers der Partikelabscheidevorrichtung kann diese auf vorteilhafte Weise von außen an einen Energiespeicherrahmen befestigt werden. Die Partikelabscheidevorrichtung kann somit z. B. an einer Batteriepack-Außenseite befestigt werden, insbesondere dort, wo eine Austrittsöffnung eines Entgasungskanals angeordnet ist. Auf diese Weise können bestehende Energiespeicher-Designs nachträglich um eine Lösung zur Partikelabscheidung erweitert werden. Durch die Partikelabscheidung kühlt sich die Entgasungsemission weiter ab und das Risiko einer Flammenbildung kann reduziert werden. Ferner können mit der vorgeschlagenen Partikelabscheidevorrichtung vergleichsweise lange Strömungswege realisiert werden, weil z. B. außenseitig am Energiespeicher in der Regel mehr Bauraum als innenseitig zur Verfügung steht. Die Partikelabscheidung und die Abkühlung können entsprechend weiter verbessert werden. Das letztendlich aus der Partikelabscheidevorrichtung austretende Gas ist demnach stark abgekühlt und enthält nur noch wenige Partikel, die aber aufgrund ihrer geringen Geschwindigkeit und niedrigen Temperatur ein niedriges Entflammungsrisiko aufweisen.
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In einer Ausführungsform ist die Partikelabscheidevorrichtung als Blechbauteil ausgeführt. Hierdurch kann eine kostengünstige und gleichzeitig robuste Lösung für die Partikelabscheidung realisiert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung kann der Hauptkörper als einstückiges Bauteil und/oder im Querschnitt U-förmig ausgeführt sein. Der Hauptkörper kann mit der Partikelfalleneinrichtung stoffschlüssig verbunden sein, z. B. verschweißt sein. Diese Aspekte ermöglichen eine besonders einfache Handhabung bei der Montage.
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Die erste Partikelfalleneinrichtung ist ausgebildet, den ersten Strömungspfad zwischen dem ersten Einlassbereich und dem ersten Auslass mehrfach umzulenken, um z. B. einen mäanderförmigen und/oder schlangenlinienförmigen Strömungsverlauf zu erzeugen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die erste Partikelfalleneinrichtung durch eine Rippenstruktur gebildet sein. Ferner kann die Rippenstruktur so ausgebildet sein, dass sie in den ersten Strömungspfad hineinragt und eine Verwirbelung und Abkühlung der Entgasungsemission und/oder ein Abscheiden von Partikeln an der Rippenstruktur bewirkt. Die Rippenstruktur kann somit ein mechanische Fang- und Umlenkungsstruktur für den Partikelstrom darstellen. Hierdurch kann eine kostengünstige, robuste, und effiziente Partikelabscheidung realisiert werden.
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Die Rippenstruktur kann Rippen umfassen, die zum „Einfangen“ und Ablagern von Partikeln aus der Entgasungsemission dienen. Die in der Entgasungsemission enthaltenen Partikel können sich somit an den Rippen ablagern. Diese Rippen werden daher nachfolgend als Fang-Rippen bezeichnet. Die Fang-Rippen können ein erstes Ende aufweisen, dass an einer Wandung des Hauptkörpers befestigt ist und ein zweites freies Ende aufweisen. Zudem oder alternativ können die Fang-Rippen in den ersten Strömungspfad hineinragen, vorzugsweise schräg entgegen der Strömungsrichtung in den ersten Strömungspfad hineinragen. Hierdurch wird einerseits eine gute Verwirbelung der Entgasungsemission erzeugt. Ferner ermöglicht das Hineinragen schräg entgegen der Strömungsrichtung ein besonders gutes Einfangen und Abscheiden der Partikel, insbesondere in den spitzen Winkelbereichen zwischen Fang-Rippen und der Wandung des Hauptkörpers, an denen die Fang-Rippen endseitig befestigt sind. Die Fang-Rippen können auch als Kühlrippen bezeichnet werden. Die Kühlrippen bewirken einerseits ein Einfangen und Abscheiden von heißen Partikeln aus der Entgasungsemission, was einen ersten Kühlungseffekt bewirkt. Darüber hinaus bewirken sie durch ihre großen Oberflächen einen weiteren Abkühlungseffekt des Heißgases der Entgasungsemission, da die Kühlrippen durch bei Umströmung von dem Heißgas erwärmt werden und dadurch der Entgasungsemission Wärme entzogen wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung kann die Rippenstruktur ausgebildet sein, einen mäanderförmigen und/oder schlangenförmigen Strömungsverlauf durch die Partikelfalleneinrichtung zu erzeugen, wodurch vorteilhaft das Abscheideverhalten und die Abkühlungswirkung weiter verbessert werden. Beispielsweise kann die Rippenstruktur hierzu zwei Gruppen von Fang-Rippen umfassen, deren Fang-Rippen auf zueinander gegenüberliegenden Seiten befestigt sind und in Strömungsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können in den Hauptkörper zwei Partikelfalleneinrichtungen integriert sein. Diese können z. B. im Wesentlichen baugleich ausgeführt sein. Ferner kann die Partikelabscheidevorrichtung so ausgebildet sein, dass der Strömungsverlauf durch die beiden Partikelfalleneinrichtungen entgegengesetzt ist.
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So kann die Partikelabscheidevorrichtung in einer Ausführungsform ferner umfassen: einen zweiten Einlassbereich für die Entgasungsemission, der an einer offenen Seite des Hauptkörpers angeordnet ist; einen zweiten Auslass für die Entgasungsemission, der durch eine zweite Durchgangsöffnung einer Wandung des Hauptkörpers gebildet ist; und eine in den Hauptkörper integrierte zweite Partikelfalleneinrichtung zum Abscheiden von Partikeln aus einer Entgasungsemission. Hierbei wird ein vom ersten Strömungspfad räumlich separierter, zweiter Strömungspfad vom zweiten Einlassbereich durch die zweite Partikelfalleneinrichtung zum zweiten Auslass bereitgestellt. In einer Ausführungsvariante hiervon können der erste Strömungspfad und der zweite Strömungspfad im Hauptkörper nebeneinander und vorzugsweise in zueinander entgegengesetzte Richtung verlaufen. Beispielsweise können der erste Einlassbereich und der zweite Auslass an einem ersten Endbereich des Hauptkörpers und der zweite Einlassbereich und der erste Auslass an einem zweiten Endbereich des Hauptkörpers angeordnet sein.
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Vorteilhaft kann diese Partikelabscheidevorrichtung dazu genutzt werden, die Entgasungsemissionen zweier unterschiedlicher Gruppen von Batteriezellen mit einem Bauteil durch Partikelabscheidung abzukühlen. Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass die zweite Partikelfalleneinrichtung baugleich oder im Wesentlichen baugleich zur ersten Partikelfalleneinrichtung ausgeführt sein kann. Beispielsweise kann die zweite Partikelfalleneinrichtung durch eine Rippenstruktur gebildet sein und/oder Fang-Rippen aufweisen, wie es zuvor bereits für die erste Partikelfalleneinrichtung beschrieben wurde.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass zwischen dem ersten und zweiten Strömungspfad eine Trennwand angeordnet ist, an der sowohl Fang-Rippen der ersten als auch der zweiten Partikelfalleneinrichtung angeordnet sind (jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Trennwand). Die Trennwand kann somit vorteilhaft einerseits zur räumlichen Separierung des ersten und zweiten Strömungspfades und ferner zur Befestigung eines Teils der Fang-Rippen der ersten als auch der zweiten Partikelfalleneinrichtung dienen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung können am Hauptkörper Verschraubungsstellen vorgesehen sein, vorzugsweise zur Verschraubung der Partikelabscheidevorrichtung an einer Außenseite eines Gehäuserahmens der Energiespeichervorrichtung. Entsprechend kann die Partikelabscheidevorrichtung durch Verschraubung an einer Außenseite eines Gehäuserahmens der Energiespeichervorrichtung, z. B. einer Batteriepackrahmen-Außenseite, befestigt werden.
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Ein weiterer allgemeiner Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine elektrische Energiespeichervorrichtung, vorzugsweise für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug. Die Energiespeichervorrichtung umfasst eine Partikelabscheidevorrichtung, wie hierin beschrieben.
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Die Energiespeichervorrichtung umfasst ferner mindestens eine Batteriezelle, die eine Entgasungsvorrichtung zur Entgasung einer bei einem Fehlerfall in der Zelle sich bildender Entgasungsemission aufweist. Die Entgasungsvorrichtung kann z. B. ein Entgasungsventil und/oder eine Berstmembran, sein und/oder umfassen. Die Entgasungsvorrichtung dient somit zur Bereitstellung einer Notentgasung im thermischen Notfall. Die Entgasungsvorrichtung öffnet beispielsweise, sobald der Druck im Zellengehäuse den atmosphärischen Luftdruck um mehr als einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Dadurch können Drücke innerhalb der Zellen vermieden werden, die zu einem explosionsartigen Bersten ganzer Zellen führen können. Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass die mindestens eine Batteriezelle als Batteriezellstapel ausgeführt sein kann, wobei jede Zelle eine entsprechende Entgasungsvorrichtung aufweist. Die Zellen können z. B. als prismatische Batteriezellen oder als Pouchzellen ausgeführt sein. Die Energiespeichervorrichtung kann ein Batteriepack sein.
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Die elektrische Energiespeichervorrichtung umfasst ferner einen Rahmen, z. B. einen Gehäuserahmen, zur Halterung der mindestens einen Batteriezelle. Der Rahmen, z. B. der Gehäuserahmen, kann eine Versteifungsstruktur, z. B. Versteifungsrippen, aufweisen. Der Rahmen kann eine Vielzahl von Batteriezellen umgeben. Der Rahmen kann Teil eines Batterie-Gehäuses sein. Ferner kann eine obere Abdeckung und/oder eine untere Abdeckung vorgesehen sein, die von oben und/oder unten am Rahmen befestigt wird, zum Schutz der Batteriezellen. Die Abdeckung kann als Blechbauteil, z. B als Blechdeckel ausgeführt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Rahmen eine erste Gasaustrittsöffnung für eine Entgasungsemission auf. Der elektrische Energiespeicher kann ferner einen innerhalb des Rahmens angeordneten Entgasungskanal aufweisen, der eine Entgasungsemission von einer oder mehreren der Zellen des Energiespeichers zur Gasaustrittsöffnung leitet. Die Partikelabscheidevorrichtung ist bevorzugt außenseitig am Gehäuserahmen befestigt, derart, dass die offene Seite des Hauptkörpers mit offenem Profilquerschnitt dem Gehäuserahmen zugewandt ist und der erste Einlassbereich in Überdeckung zur ersten Gasaustrittsöffnung angeordnet ist. Bei einer Ausführungsvariante, bei der in die Partikelabscheidevorrichtung eine zweite Partikelfalleneinrichtung integriert ist, wie vorstehend beschrieben wurde, weist der Rahmen entsprechend eine zweite Gasaustrittsöffnung für eine Entgasungsemission auf, und die Partikelabscheidevorrichtung ist bevorzugt außenseitig am Gehäuserahmen so befestigt, dass ihr zweiter Einlassbereich in Überdeckung zur zweiten Gasaustrittsöffnung angeordnet ist.
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Der offene Profilquerschnitt des Hauptkörpers der Partikelabscheidevorrichtung bildet somit zusammen mit dem Rahmen des Energiespeichers einen Hohlraum aus, in dem die Entgasungsemission durch die Partikelfalleneinrichtung geleitet wird. Anders ausgedrückt kann ein vom Hauptkörper überdeckter Abschnitt des Gehäuserahmens zusammen mit dem Hauptkörper einen Hohlraum und Gasführungskanal für die Entgasungsemission ausbilden.
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Die Partikelabscheidevorrichtung ist bevorzugt am Gehäuserahmen angeschraubt.
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Nach einem weiteren Aspekt der Offenbarung wird die Entgasungsemission nach Durchlaufen der Partikelabscheidevorrichtung ferner anschließend in zumindest einen Bereich hoher Wärmekapazität geleitet, um eine weitere Abkühlung und damit Reduzierung einer Flammenbildung zu ermöglichen.
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So ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die elektrische Energiespeichervorrichtung ferner einen Abgaskanal umfasst, der am ersten Auslass fluidisch angeschlossen ist und ausgebildet ist, die aus der Partikelabscheidevorrichtung austretende Entgasungsemission zur Abkühlung in mindestens einen der folgenden weiteren Bereiche zu leiten: einen Hohlraum zwischen einer Bodenabdeckung, die den Energiespeicher von unten verschließt und einem unterhalb der Bodenabdeckung angeordneten Unterbodenschutz, oder einen Hohlraum zwischen einer äußeren Seitenwand des Gehäuserahmens und einer hierauf angeordneten Seitenabdeckung. Diese Bereiche eignen sich aufgrund ihres vergleichsweise großen Volumens und hohen Wärmekapazität zur weiteren Abkühlung der Entgasungsemission.
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Die Bodenabdeckung, der Unterbodenschutz und/oder die Seitenabdeckung können jeweils als Blechbauteil, z. B. als Blechdeckel, ausgeführt sein.
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Weiterhin betrifft die Offenbarung ein Kraftfahrzeug aufweisend eine elektrische Energiespeichervorrichtung und/oder eine Partikelabscheidevorrichtung, wie hierin beschrieben.
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Mit anderen Worten sollen die in diesem Dokument im Zusammenhang mit der elektrischen Energiespeichervorrichtung und/oder Partikelabscheidevorrichtung an sich beschriebenen Merkmale auch im Zusammenhang mit dem Kraftfahrzeug offenbart und beanspruchbar sein. Das Kraftfahrzeug kann dabei z. B. ein rein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug sein. Bevorzugt ist das Kraftfahrzeug ein Nutzfahrzeug (z. B. ein Lastkraftwagen oder Omnibus). Hierbei kann unter einem Nutzfahrzeug im Allgemeinen ein Fahrzeug verstanden werden, das durch seine Bauart und Einrichtung speziell zur Beförderung von Personen, zum Transport von Gütern oder zum Ziehen von Anhängerfahrzeugen ausgelegt ist. Insgesamt kann dadurch auf vorteilhafte Weise ein Fahrzeug bereitgestellt werden, bei dem das Risiko einer Flammenbildung aufgrund einer Entgasungsemission möglichst gering ist.
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Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1A eine schematische Darstellung eines Rahmenbauteils eines Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform;
- 1B eine schematische Schnittansicht einer Partikelabscheidevorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung eines Strömungsverlaufs der Entgasungsemission durch die Partikelabscheidevorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
- 3 eine schematische Darstellung einer Anordnung der Partikelabscheidevorrichtung an einem Batteriepackrahmen gemäß einer Ausführungsform; und
- 4: eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Energiespeicher gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen stimmen zumindest teilweise überein, so dass ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung der anderen Ausführungsformen bzw. Figuren verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
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1A zeigt eine schematische Darstellung eines Rahmenbauteils bzw. eines Abschnitts 7 eines Gehäuserahmens 5 eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform. Das Rahmenbauteil 7 weist bevorzugt eine Versteifungsstruktur 5a auf, in Form mehrerer Versteifungsrippen. In 1A sind z. B. vertikal verlaufende als auch schräg verlaufende Versteifungsrippen gezeigt. Das Rahmenbauteil dient zur Halterung von mehreren Batteriezellen 3 (in 1A nicht dargestellt).
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In 3 ist eine andere Ausführungsform des Rahmens gezeigt, mit einem gehalterten Batteriezellstapelmodul 3a aus mehreren Batteriezellen 3, wobei der dort gezeigte Rahmen 5 z. B. eine andere Versteifungsstruktur aufweist. Die Darstellung ist jedoch nur beispielhaft. Die Rahmengröße und die Anzahl der durch den Gehäuserahmen 5 gehalterten Batteriezellen 3 bzw. Batteriezellestapelmodule kann selbstverständlich je nach Anforderung unterschiedlich ausgestaltet sein.
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Die innerhalb des Gehäuserahmens 5 gehalterten Batteriezellen 3 weisen jeweils eine Entgasungsvorrichtung 4 für eine Notentgasung im thermischen Notfall auf. Die Entgasungsvorrichtungen 4 können beispielsweise jeweils ein Entgasungsventil oder eine Berstmembran aufweisen, welches oder welche bei Erreichen eines vorbestimmten Berstdrucks öffnet, um eine Notentgasung der beschädigten Zelle zu ermöglichen und das Risiko eines Übergreifens auf die benachbarten Zellen zu verhindern. Bei solch einer Ausgasung aus einer Zelle werden typischerweise auch Partikel aus der Zelle vom Gasstrom mitgerissen.
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Damit sich das Gas der Notentgasung und die beim Ausgasen aus einer Zelle austretenden Partikel nicht unkontrolliert im Energiespeicher verteilen, wird die Entgasungsemission aus den Zellen 3 über Gaskanäle (nicht dargestellt) zu Gasaustrittsöffnungen 6a am Gehäuserahmen 5 geleitet.
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Das in 1A dargestellte Rahmenbauteil 7 weist z. B. eine erste Gasaustrittsöffnung 6a und eine zweite Gasaustrittsöffnung 6b auf. An jede der Gasaustrittsöffnung ist ein Gaskanal (nicht darstellt) angeschlossen, der z. B. die Entgasungsemission eines Batteriezellstapelmoduls 3a im Falle eines thermischen Durchgehens einer Zelle zur jeweiligen Gasaustrittsöffnung 6a oder 6b leitet.
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Würde man dieses Heißgas von der Gasaustrittsöffnungen 6a oder 6b direkt in die Umwelt abgeben, besteht ein hohes Risiko einer Flammenbildung.
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Daher wird vorliegend eine Partikelabscheidevorrichtung bereitgestellt, die von außen an das Rahmenbauteil 7 angeschraubt werden kann, und mittels der das Heißgas, insbesondere durch Abscheiden von Partikeln, abgekühlt werden kann, bevor es an die Umgebung abgegeben wird.
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1B zeigt eine schematische Schnittansicht einer solchen Partikelabscheidevorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform. Die Partikelabscheidevorrichtung 10 dient zur Aufnahme und zum Durchleiten einer Entgasungsemission aus einer elektrischen Energiespeichervorrichtung, z. B. einem Batteriepack. Die Partikelabscheidevorrichtung 10 umfasst einen Hauptkörper 11 mit offenem Profilquerschnitt. Der Hauptkörper kann z. B. als Halbschale ausgeführt sein, mit einem U-förmigen Querschnitt. Der Hauptkörper kann z. B. ein quaderförmiges Innenvolumen aufweisen, wobei der Quader zu einer Seite hin offen ist. Der Profilquerschnitt des Hauptkörpers 11 ist zu der Seite hin offen, die am Gehäusebauteil 7 montiert wird. Der Hauptkörper kann einstückig und/oder als Blechbauteil ausgeführt sein. Die Partikelabscheidevorrichtung 10 und deren Komponenten sind aus einem hitzebeständigen Material ausgeführt.
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Die Partikelabscheidevorrichtung 10 umfasst ferner einen ersten Einlassbereich 13a für die Entgasungsemission, der an einer offenen Seite des Hauptkörpers angeordnet ist. Der erste Einlassbereich 13a ist hier durch die gestrichene Kreislinie illustriert. Der erste Einlassbereich 13a bezeichnet einen Freiraum und/oder eine Stelle, an der eine Entgasungsemission in die Partikelabscheidevorrichtung 10 eintritt, was nachfolgend noch in Zusammenhang mit 2 illustriert wird. Die Partikelabscheidevorrichtung 10 wird so am Rahmenbauteil 7 montiert, dass der erste Einlassbereich in Überdeckung, also fluchtend, zur ersten Gasaustrittsöffnung 6a angeordnet ist.
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Die Partikelabscheidevorrichtung 10 weist ferner einen ersten Auslass 14a für die Entgasungsemission auf. Am ersten Auslass 14a verlässt eine Entgasungsemission, die durch den Einlassbereich 13a in die Partikelabscheidevorrichtung 10 eingetreten ist, die Partikelabscheidevorrichtung 10 wieder. Der erste Auslass 14a ist durch eine erste Durchgangsöffnung einer Wandung 12 des Hauptkörpers gebildet. Der erste Auslass 14a befindet sich somit an der geschlossenen Seite des offenen Profilquerschnitts des Hauptkörpers 11.
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Die Partikelabscheidevorrichtung 10 weist ferner eine in den Hauptkörper 11 integrierte erste Partikelfalleneinrichtung 15a zum Abscheiden von Partikeln aus einer Entgasungsemission auf.
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Die erste Partikelfalleneinrichtung 15a ist durch eine Rippenstruktur 17 gebildet. Die Rippenstruktur weist mehre Fang-Rippen bzw. Kühlrippen 18 auf. Diese dienen zum „Einfangen“ und Ablagern von Partikeln aus der Entgasungsemission und bewirken aufgrund ihrer großen Oberfläche ferner eine Abkühlung der Entgasungsemission. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind jeweils nur ein Teil der Fang-Rippen 18 mit Bezugszeichen versehen.
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Eine über den ersten Einlassbereich 13a eingeleitete Entgasungsemission wird entlang eines ersten Strömungspfades 16a durch die Partikelabscheidevorrichtung 10 geführt. Der erste Strömungspfad 16a führt vom ersten Einlassbereich 13a, hin zur ersten Partikelfalleneinrichtung 15a und anschließend zum ersten Auslass 14a. Hierbei ragen die Fang-Rippen 18 der Rippenstruktur 17 der ersten Partikelfalleneinrichtung 15a in den ersten Strömungspfad 16a hinein. Insbesondere ragen die Fang-Rippen 18 schräg entgegen der (mittleren) Strömungsrichtung in den ersten Strömungspfad 16a hinein. Insbesondere kann die Rippenstruktur 17 zwei Gruppen von Fang-Rippen 18 umfassen, deren Fang-Rippen auf zueinander gegenüberliegenden Seiten befestigt sind und in Strömungsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind. Dies bewirkt eine Verwirbelung der Entgasungsemission sowie ein Abscheiden von Partikeln an der Rippenstruktur 17, was zu einem Abkühlen der Entgasungsemission führt.
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Vorliegend ist in den Hauptkörper 11 neben der ersten Partikelfalleneinrichtung 15a eine zweite Partikelfalleinrichtung 15b integriert. Diese ist im Wesentlichen baugleich ausgeführt wie die erste Partikelfalleneinrichtung 15a.
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So ist in der Partikelabscheidevorrichtung 10 ein zweiter Einlassbereich 13b für eine Entgasungsemission vorgesehen, der ebenfalls an einer offenen Seite des Hauptkörpers 11 angeordnet ist. Der erste und zweite Einlassbereich 13a, 13b sind jedoch an gegenüberliegenden Endbereich 11a, 11b des Hauptkörpers 11 angeordnet. Ferner ist ein zweiter Auslass 14b für die Entgasungsemission vorgesehen, der durch eine zweite Durchgangsöffnung einer Wandung 12 des Hauptkörpers 11 gebildet ist. Zwischen dem zweiten Einlassbereich 13b und dem zweiten Auslass 14b ist die in den Hauptkörper integrierte zweite Partikelfalleneinrichtung 15b zum Abscheiden von Partikeln aus einer Entgasungsemission angeordnet. Hierbei wird ein vom ersten Strömungspfad 16a räumlich separierter, zweiter Strömungspfad 16b vom zweiten Einlassbereich 13b durch die zweiten Partikelfalleneinrichtung 15b zum zweiten Auslass 14b bereitgestellt. Die zweite Partikelfalleneinrichtung ist analog zur ersten Partikelfalleneinrichtung 15a ausgeführt und weist eine Rippenstruktur 17 auf, mit mehreren Fang-Rippen 18, die schräg entgegen der Strömungsrichtung in den zweiten Strömungspfad 16b hineinragen.
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Der erste Strömungspfad 16a und der zweite Strömungspfad 16b verlaufen nebeneinander und im Wesentlichen in entgegengesetzter Richtung durch den Hauptkörper 11, was durch die gestrichelten Pfeile 16a, 16b illustriert ist.
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Zwischen dem ersten und zweiten Strömungspfad 16a, 16b ist eine Trennwand 19 angeordnet, an der sowohl Fang-Rippen 18 der ersten als auch der zweiten Partikelfalleneinrichtung 15a, 15b angeordnet sind. Die Trennwand 19 trennt somit die beiden Strömungspfade räumlich innerhalb der Partikelabscheidevorrichtung 10.
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Am Hauptkörper 11 sind ferner Verschraubungsstellen 20 vorgesehen, z. B. in Form von Durchgangsöffnungen in den Eckbereichen, zur Verschraubung der Partikelabscheidevorrichtung 10 an einer Außenseite eines Gehäuserahmens der Energiespeichervorrichtung.
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Die Rippenstruktur 17 erzeugt Verwirbelungen der Entgasungsemission und bewirkt einen mäanderförmigen Strömungsverlauf durch den Hauptkörper 11, mit einer Vielzahl kleinerer Verwirbelungsstellen, insbesondere im Bereich der Fang-Rippen 18.
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Dies ist in 2 dargestellt. 2 illustriert eine schematische Darstellung eines Strömungsverlaufs der Entgasungsemission durch die Partikelabscheidevorrichtung gemäß einer Ausführungsform. 2 zeigt ferner die Partikelabscheidevorrichtung 10 in einem auf dem Rahmenbauteil 7 der 1a montierten Zustand.
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Hierbei ist die Partikelabscheidevorrichtung 10 außenseitig auf dem Rahmenbauteil 7 verschraubt, derart, dass die offene Seite des Hauptkörpers 11 dem Rahmenbauteil 7 zugewandt ist und der erste Einlassbereich 13a in Überdeckung zur ersten Gasaustrittsöffnung 6a angeordnet ist und der zweite Einlassbereich 13b in Überdeckung zur zweiten Gasaustrittsöffnung 6b angeordnet ist. Die Partikelabscheidevorrichtung, inkl. des Hauptkörpers 11 und der Partikelfalleneinrichtungen 15a, 15b, ist in 2 mit gepunkteter Linie dargestellt.
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2 illustriert den Fall, dass eine Entgasungsemission E über die erste Gasaustrittsöffnung 6a und damit über den ersten Einlassbereich 13a in die Partikelabscheidevorrichtung 10 eintritt.
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Die Entgasungsemission wird aufgrund der Trennwand 19 und der Rippenstruktur der ersten Partikelfalleneinrichtung 15a entlang des ersten Strömungspfades hin zum ersten Auslass 14a geleitet. Dabei werden viele in der Entgasungsemission enthaltene Partikel an den Fang-Rippen 18 abgeschieden, d. h. bleiben dort hängen. Insbesondere die Stellen, an denen die Fang-Rippen 18 an der Wandung 12 des Hauptkörpers befestigt sind, bilden einen spitzen Winkel und damit vorteilhafte Bereiche B zum Partikelabscheiden. Insgesamt ergibt sich ein mäanderförmiger Strömungsverlauf von dem Einlassbereich 13a hin zum Auslass 14a, wobei viele lokale Verwirbelungen entstehen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung der Partikelabscheidevorrichtung an einem Batteriepackrahmen gemäß einer Ausführungsform.
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Wie vorstehend erwähnt, kann ein elektrischer Energiespeicher 2 mehrere Batteriezellen 3 aufweisen, die als Batteriezellstapelmodule 3a im Energiespeicher 2 angeordnet ist. Batteriezellstapelmodule 3a sind von einem Rahmen 5 gehaltert. Der Energiespeicher 2 kann mehrere Batteriezellstapelmodule aufweisen, die in einer Ebene hintereinander und/oder nebeneinander und optional ferner in mehreren Ebenen, sog. Layern, übereinander angeordnet sein können. Vorliegend ist nur ein einfaches Beispiel mit nur einem einzigen Layer gezeigt. Entsprechend kann der Rahmen 5 in anderen hier nicht gezeigten Varianten entsprechend größer dimensioniert sein.
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Schematisch sind hier eine erste Gasaustrittsöffnung 6a und eine zweite Gasaustrittsöffnung 6a illustriert, denen der Gasstrom einer Entgasungsemission aus dem Rahmeninnern über einen oder mehrere Gaskanäle (hier nicht dargestellt) zugeführt wird. Der Gaskanal kann z. B. aus stabilen Schläuchen oder Rohren, ausgeführt sein, der auf den Zellen zur Aufnahme von Entgasungsemissionen angeordnet ist, sodass das Gas in diesen Kanal strömen und gerichtet aus dem Energiespeicher 2 heraus, hier zu. B. zu den Gasaustrittsöffnungen 6a, 6b transportiert werden kann.
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Die hier lediglich stark schematisiert dargestellte Partikelabscheidevorrichtung 10 wird von außen auf den Rahmen 5 geschraubt, so dass der erste Einlassbereich 13a in Überdeckung zur ersten Gasaustrittsöffnung 6a und der zweite Einlassbereich 13b in Überdeckung zur zweiten Gasaustrittsöffnung 6b angeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungsform, kann ferner ein weiterer Abgaskanal vorgesehen sein, der am ersten Auslass 14a fluidisch angeschlossen ist und der ausgebildet ist, die aus dem ersten Auslass 14a der Partikelabscheidevorrichtung 10 austretende Entgasungsemission zur Abkühlung in einen Hohlraum 8 zwischen einer Bodenabdeckung, die den Energiespeicher von unten verschließt und einem unterhalb der Bodenabdeckung angeordneten Unterbodenschutz 9, zu leiten. Die Bodenabdeckung kann auch als Batteriepackboden bezeichnet werden. Der Batteriepackboden kann als Blechdeckel ausgeführt sein, der das Batteriepack von unten verschließt. Der Unterbodenschutz 9 kann ein Blechbauteil sein, zum Schutz des Batteriepacks von unten.
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Zudem oder alternativ kann der Abgaskanal ausgebildet sein, die aus dem ersten Auslass 14a der Partikelabscheidevorrichtung 10 austretende Entgasungsemission zur Abkühlung in einen Hohlraum zwischen einer äußeren Seitenwand des Gehäuserahmens und einer hierauf angeordneten Seitenabdeckung zu leiten, z. B. an einer Seitenwand, an der die Partikelabscheidevorrichtung 10 nicht angeordnet ist.
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In diesen Hohlräumen sind jeweils große Oberflächen vorhanden, die zur weiteren Abkühlung der Entgasungsemission genutzt werden können.
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Analog hierzu kann ein weiterer Abgaskanal vorgesehen sein, der am zweiten Auslass 14b fluidisch angeschlossen ist und der ausgebildet ist, die aus dem zweiten Auslass 14b der Partikelabscheidevorrichtung 10 austretende Entgasungsemission zur Abkühlung ebenfalls in einen Hohlraum 8 zwischen der Bodenabdeckung und einem unterhalb der Bodenabdeckung angeordneten Unterbodenschutz 9 zu leiten. Zudem oder alternativ kann der weitere Abgaskanal ausgebildet sein, die aus dem zweiten Auslass 14b der Partikelabscheidevorrichtung 10 austretende Entgasungsemission zur Abkühlung in einen Hohlraum zwischen einer äußeren Seitenwand des Gehäuserahmens und einer hierauf angeordneten Seitenabdeckung zu leiten, z. B. an einer Seitenwand, an der die Partikelabscheidevorrichtung 10 nicht angeordnet ist.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 1 mit einem Energiespeicher 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Es versteht sich, dass die unter Bezugnahme auf die 4 beschriebenen Techniken und Merkmale mit den Techniken und Merkmalen, die unter Bezugnahme auf die vorherigen beschrieben sind, kombinierbar sind, einzeln oder in jeglicher Kombination.
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Das Kraftfahrzeug 1 kann - wie beispielhaft dargestellt - ein Nutzfahrzeug (z. B. eine Sattelzugmaschine oder ein Lastkraftwagen mit Aufbau) sein. Das Kraftfahrzeug 1 kann allerdings auch ein PKW sein. Bevorzugt ist das Kraftfahrzeug 1 ein rein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug 1. Der elektrische Energiespeicher 2 mit der Partikelabscheidevorrichtung kann dabei an einer Längsaußenseite des Kraftfahrzeugs 1 oder an anderer Stelle angeordnet sein.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die einzelnen Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 jeweils unabhängig voneinander offenbart. Zusätzlich sind auch die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 offenbart.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug, z.B. Nutzfahrzeug
- 2
- Elektrischer Energiespeicher, z. B. Batteriepack
- 3
- Batteriezelle
- 3a
- Batteriezellstapelmodul
- 4
- Entgasungsvorrichtung
- 5
- Gehäuserahmen
- 5a
- Versteifungsstruktur
- 6a
- Erste Gasaustrittsöffnung
- 6b
- Zweite Gasaustrittsöffnung
- 7
- Abschnitt Gehäuserahmen, z.B. Rahmenbauteil
- 8
- Hohlraum
- 9
- Unterbodenschutz
- 10
- Partikelabscheidevorrichtung
- 11
- Hauptkörper
- 11a
- Erster Endbereich
- 11b
- Zweiter Endbereich
- 12
- Wandung
- 13a
- Erster Einlassbereich
- 13b
- Zweiter Einlassbereich
- 14a
- Erster Auslass
- 14b
- Zweiter Auslass
- 15a
- Erste Partikelfalleneinrichtung
- 15b
- Zweite Partikelfalleneinrichtung
- 16a
- Erster Strömungspfad
- 16b
- Zweiter Strömungspfad
- 17
- Rippenstruktur
- 18
- Fang-Rippe
- 19
- Trennwand
- 20
- Verschraubungsstelle
- E
- Entgasungsemission
- B
- Bereiche zum Partikelabscheiden
